Đồ án Mobile robot tránh vật cản sử dũng xử lý ảnh (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Mobile robot tránh vật cản sử dũng xử lý ảnh (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ MOBILE ROBOT TRÁNH VẬT CẢN SỬ DŨNG XỬ LÝ ẢNH GVHD: TH.S LÊ THANH TÙNG SVTH: TRẦN THANH TÂN MSSV: 10111064 SVTH: NGUYỄN NGỌC THANH MSSV: 10111067 SKL003018 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2014
2. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MOBILE ROBOT TRÁNH VẬT CẢN SỬ DỤNG XỬ LÝ ẢNH GVHD: TH.S LÊ THANH TÙNG SVTH: TRẦN THANH TÂN MSSV: 10111064 SVTH: NGUYỄN NGỌC THANH MSSV: 10111067 KHÓA: 2010 – 2014 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2014 i
3. ỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, chúng em xin gửi đến Thầy Ths. Lê Thanh Tùng lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất. Nhờ có sự hƣớng dẫn và giúp đỡ tận tình của Thầy trong suốt thời gian qua, chúng em đã có thể thực hiện và hoàn thành Đồ Án Cơ Điện Tử và Đồ Án Tốt Nghiệp. Những lời nhận xét, góp ý và chỉ dẫn tận tình của Thầy đã giúp chúng em có một định hƣớng đúng đắn trong suốt quá trình thực hiện Đề tài, giúp chúng em nhìn ra đƣợc những ƣu khuyết điểm của Đề tài và từng bƣớc hoàn thiện hơn. Đồng thời, chúng em xin trân trọng cảm ơn các Thầy Cô của Trƣờng Đại Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM, các Thầy Cô của khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy nói chung và của Bộ Môn Cơ Điện Tử nói riêng đã dạy dỗ chúng em suốt quãng thời gian ngồi trên ghế giảng đƣờng Đại học. Những lời giảng của Thầy Cô trên bục giảng đã trang bị cho chúng em những kiến thức và giúp chúng em tích lũy thêm những kinh nghiệm. Bên cạnh đó, chúng tôi xin cảm ơn sự hỗ trợ và giúp đỡ của bạn bè trong thời gian học tập tại Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM và trong quá trình hoàn trình hoàn thành Đồ Án Tốt Nghiệp này. Cuối cùng, chúng con cũng chân thành cảm ơn sự động viên và sự hỗ trợ của cha mẹ và gia đình trong suốt thời gian học tập. Đặc biệt, chúng con xin gửi lời cảm ơn trân trọng nhất đến cha mẹ, ngƣời đã sinh ra và nuôi dƣỡng chúng con nên ngƣời. Sự quan tâm, lo lắng và hy sinh lớn lao của cha mẹ luôn là động lực cho chúng con cố gắng phấn đấu trên con đƣờng học tập của mình. Một lần nữa, chúng con xin gửi đến cha mẹ sự biết ơn sâu sắc nhất. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 13 tháng 06 năm 2014 TRẦN THANH TÂN NGUYỄN NGỌC THANH ii
4. TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án trình bày kết quả nghiên cứu nhằm điều khiển Mobile Robot tránh vật cản bằng phƣơng pháp điều khiển dùng thị giác máy tính. Đầu tiên, nhờ vào một hệ thống tự động trên máy tính, vị trí của Robot và vật cản sẽ đƣợc phát hiện, từ đó Robot đƣợc điều khiển để có thể tránh hết vật cản và đi đến vị trí cuối cùng. Hệ thống tự động này có khả năng nhận dạng, xác định vị trí tọa độ của Robot và vật cản trong ảnh dựa vào màu sắc bằng giải thuật CamShift, từ đó tính toán khoảng cách, góc quay và xác định hƣớng quay cho Robot. Sau khi xử lý xong, máy tính sẽ truyền tín hiệu xuống Robot thông qua bộ thu phát Bluetooth, Robot sẽ xử lý tín hiệu để di chuyển tránh vật cản trên đƣờng và đến đƣợc vị trí cuối cùng theo yêu cầu. Đồ án gồm năm chƣơng với các nội dung sau: Chƣơng 1 : Tổng quan. Giới thiệu lý do chọn đề tài, phƣơng pháp nghiên cứu đề tài Giới thiệu về các công trình nghiên cứu có liên quan trong nƣớc cũng nhƣ ở nƣớc ngoài. Chƣơng 2 : Cơ sở lý thuyết. Trình bày các cơ sở lý thuyết cần thiết để thực hiện đề tài. Chƣơng 3 : Thiết kế - Thi công phần cứng và phần mềm. Trình bày mô hình phần cứng, thiết kế Robot, các mạch điện điều khiển. Trình bày thuật toán và giải thuật nhận dạng, xử lý tín hiệu. Chƣơng 4 : Kết quả thực nghiệm. Giới thiệu phần mềm giao diện. Đánh giá kết quả nhận dạng và điều khiển Mobile Robot tránh vật cản với các yếu tố ảnh hƣởng. Chƣơng 5 : Kết luận và hướng phát triển. Trình bày các kết quả đã đạt đƣợc, đề nghị và đƣa ra hƣớng phát triển cho đề tài. 2. Mechanical design iii
5. ABSTRACT This Project presents a research in order to control the Avoid Obstacles Mobile Robot by using control method of computer vision. First, thanks to an automated computer system, the position of Robot and Obstructions will be determined, the Robot will be controlled in order to be able to track the Obstructions and then avoid the obstructions and move to the destination. This system has ability to identify, locate the coordinate position of Robot and Obstructions in an image based on color feature with CamShift algorithm, then calculate the distance, angle of rotation and determine the rotational direction for Robot. After processing, the computer will transmit control signal to Robot via Bluetooth Transceiver, Robot will process those signal to avoid the Obstructions and move to the destination. Project consists of five chapters with the following contents: Chapter 1 : Overview. Introduction of Project, the method of research Introduction to the researchs in country, and in abroad as well. Chapter 2 : The Basis of Theory. Presenting the needful basic theories for project perform ance. Chapter 3 : Design Hardware and Software. Presenting hardware overview, Robot design, mainboard as well as algorithm of recognition, sinal processing. Chapter 4 : The Program and Result. Introduction of Graphical User Interface. Evaluate the result of recognition and control Avoid Obstacles Mobile Robot with the test results. Chapter 5 : Conclusion and Future work. Presenting the achievement, offer some proposal and direction for thesis development. iv
6. ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP.HCM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN Họ và tên Sinh viên: Trần Thanh Tân MSSV: 10111064 Họ và tên Sinh viên: Nguyễn Ngọc Thanh MSSV: 10111067 Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ Tên đề tài: MOBILE ROBOT TRÁNH VẬT CẢN BẰNG XỬ LÝ ẢNH Họ và tên Giáo viên hƣớng dẫn: Th.S Lê Thanh Tùng NHẬN XÉT 1. Về nội dung đề tài & khối lƣợng thực hiện: 2. Ƣu điểm: 3. Khuyết điểm: 4. Đề nghị cho bảo vệ hay không? 5. Đánh giá loại: 6. Điểm: .(Bằng chữ: ) Tp. Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 7 năm 2014 Giáo viên hƣớng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) v
7. ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP.HCM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên Sinh viên: Trần Thanh Tân MSSV: 10111064 Họ và tên Sinh viên: Nguyễn Ngọc Thanh MSSV: 10111067 Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ Tên đề tài: MOBILE ROBOT TRÁNH VẬT CẢN BẰNG XỬ LÝ ẢNH Họ và tên Giáo viên hƣớng dẫn: Th.S Lê Thanh Tùng NHẬN XÉT 7. Về nội dung đề tài & khối lƣợng thực hiện: 8. Ƣu điểm: 9. Khuyết điểm: 10. Đề nghị cho bảo vệ hay không? 11. Đánh giá loại: 12. Điểm: .(Bằng chữ: ) Tp. Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 7 năm 2014 Giáo viên hƣớng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) vi
8. MỤC ỤC Trang bìa i ời cảm ơn ii Tóm tắt đồ án iii Abstract iv Nhận x t của giáo viên hƣớng dẫn v Nhận x t của giáo viên phản biện vi Mục lục vii Danh mục viết tắt ix Danh mục bảng biểu x Danh mục hình vẽ xi Nhiệm vụ của đồ án xv Chƣơng 1: T NG QUAN 1 1.1 Gi i hi i 1 1.1.1 do chọn đề tài 1 1.1.2 êu cầu và giới hạn đề tài 1 1.1.3 Đối tƣợng nghiên cứu 2 1.1.4 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 2 1.1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu 2 1.2 C ng nh nghi n i n n 3 1.2.1 Các công trình nghiên cứu ở nƣớc ngoài 3 1.2.2 Các công trình nghiên cứu trong nƣớc 3 Chƣơng 2: CƠ S THU ẾT 6 2.1 T ng n i nh n ng nh 6 2.1.1 Mobile robot và phƣơng pháp điều khiển 6 2.1.2 Mobile robot tránh vật cản sử dụng xử l ảnh 7 2.2 Vi i hi n Pi 16 887 9 2.2.1 Đặc trƣng của vi điều khiển Pic16 887 9 2.2.2 Cấu trúc và bộ nhớ của Pic16 887 9 2.2.3 Các chức năng đƣợc sử dụng trong đồ án 10 2.3 Th gi nh 14 2.3.1 Các l nh vực thị giác máy tính 14 2.3.2 Chức năng của hệ thống thị giác máy tính 16 2.3.3 Các hệ thống thị giác máy tính 16 2.3.4 Ứng dụng của thị giác máy tính 17 vii
9. 2.4 T ng n h h ng nh 18 2.5 h nh nh 19 2.5.1 Khái niệm về ảnh và phần tử ảnh 19 2.5.2 Cấu trúc một file ảnh 21 2.5.3 Ảnh màu 22 2.5.4 Không gian màu 22 2.5.5 Tính toán biểu đồ phân bố xác suất 25 2.5.6 Chuyển đổi không gian màu 28 2.5.7 Giải thuật CAMSHIFT 29 2.5.8 Kỹ thuật lọc số làm trơn nhiễu 32 Chƣơng 3: THIẾT KẾ PHẦN C NG V PHẦN M M 26 3.1 T ng n h nh h n ng 26 3.1.1 Mobile robot 26 3.1.2 Camera 29 3.1.3 Máy tính 30 3.1.4 Module bluetooth 30 3.1.5 Mạch điện điều khiển 31 3.1.6 Động cơ DC 32 3.1.7 Nguồn động cơ 40 3.2 Thi h n 41 3.2.1 Tổng quan quá trình nhận dạng và điều khiển trên máy tính 41 3.2.2 Cấu trúc và lƣu đồ giải thuật của chƣơng trình 42 3.2.3 Các phƣơng pháp tránh vật cản 42 3.2.4 Thuật toán xử lý ảnh 58 Chƣơng 4: KẾT QUẢ THI CÔNG PHẦN C NG PHẦN M M 68 4.1 K hi ng i 68 4.2 K hi ng h n 69 4.2.1 Giao diện phần mềm điều khiển Robot tránh vật cản 69 4.3 K t qu tránh v t 72 Chƣơng 5: KẾT UẬN V HƢỚNG PHÁT TRI N 74 5.1 K n 74 5.2 Đ ngh 74 5.3 Hƣ ng h i n i 75 T I IỆU THAM KHẢO 76 viii
10. ANH MỤC CH VIẾT TẮT DC : DIRECT CURRENT PC : PERSONAL COMPUTER ADC : ANALOG TO DIGITAL CONVERTER PWM : PULSE WIDTH MODULATION I/O : INPUT/OUTPUT GPR : GENERAL PURPOSE REGISTERS SFR : SPECIAL FUNCTION REGISTERS UAV : UNMANNED AERIAL VERHICLE CCD : CHARGE COUPLED DEVICE RGB : RED GREEN BLUE HSV : HUE SATURATION VALUE OPENCV : OPEN SOURCE COPUTER VISION IC : INTEGRATED CIRCUIT PIC : PROGRAMMABLE INTERFACE CONTROLLERS ix
11. DANH SÁCH BẢNG BI U B ng 2.1: Thanh ghi Port A 10 B ng 2.2: Thanh ghi Tris A 10 B ng 2.3: Quá trình hoạt động của một timer 11 x
12. ANH SÁCH H NH Hình 1.1: Robot CVRL với camera 3 Hình 1.2: Mô phỏng quỹ đạo di chuyển 3 Hình1.3 : Điều khiển robot di động dùng ánh mắt 4 Hình 1.4: Nội dung chƣơng trình điều khiển 5 Hình 1.5: Mobile robot với kinect 5 H nh 2 1: Robot tránh vật cản sử dụng cảm biến siêu âm 6 Hình 2.2 : Mobile Robot bám đối tƣợng di động SRV 7 Hình 2.3 : Tổng quan hệ thống Robot tránh vật cản 8 Hình 2.4: Bộ nhớ của Pic 16F887 9 Hình 2.5: Sơ đồ khối của TIMER 0 11 Hình 2.6: Sơ đồ khối TIMER 1 12 Hình 2.7: Sơ đồ khối TIMER 2 12 Hình 2.8: Sơ đồ điều chế PWM 13 Hình 2.9: Sơ đồ khối chế độ PWM 14 Hình 2.10: Các l nh vực liên quan đến Computer Vision 15 Hình 2.11: Robot Rover của NASA 18 Hình 2.12: Các giai đoạn chính trong xử lý ảnh 19 Hình 2.13: Ảnh tƣơng tự và ảnh số 20 Hình 2.14: Biểu diễn ảnh số trong không gian 2D 20 Hình 2.15: Phần tử ảnh 21 Hình 2.16: Biểu diễn ảnh với độ phân giải khác nhau 21 Hình 2.17: Mảng hai chiều của một file ảnh 22 Hình 2.18: Các kiểu không gian màu 23 Hình 2.19: Không gian màu RGB 23 Hình 2.20: Không gian màu HSV 25 Hình 2.21: Histogram 25 Hình 2.22: Histogram của ảnh tối 26 Hình 2.23: Histogram của ảnh sáng 26 Hình 2.24: Bốn biểu đồ ánh sáng 26 Hình 2.25: Ảnh gốc 27 Hình 2.26: Histogram 27 Hình 2.27: (a) Ảnh màu RGB ; (b) Ảnh màu HSV ; (c) Không gian HSV 28 Hình 2.28 : (a) Ảnh xám ; (b), (c) Ảnh nhị phân 29 Hình 2.29: Kết quả tìm kiếm với giải thuật CAMSHIFT 32 xi
13. Hình 2.30: Tìm pixel trung vị trong cửa sổ lọc 33 H nh 3 1: Tổng quan mô hình phần cứng mobile robot tránh vật cản 35 Hình 3.2: Mô hình 35 Hình 3.3: Hình chiếu đứng 36 Hình 3.4: Hình chiếu cạnh 36 Hình 3.5: Hình chiếu bằng 37 Hình 3.6: Webcam Huyndai HD 38 Hình 3.7: Sơ đồ chân HC05 39 Hình 3.8: Mô phỏng hoạt động bằng Proteus 39 Hình 3.9: Động cơ DC 40 Hình 3.10: Bảng thông số kỹ thuật của động cơ 40 Hình 3.11: Sơ đồ kích xung PWM 40 Hình 3.12: Pin Lithium-Polymer 40 Hình 3.13: Sơ đồ khối các bƣớc xử lý của chƣơng trình 41 H nh 3 14: Phƣơng pháp offset trƣờng hợp 1 43 H nh 3 15: Phƣơng pháp offset trƣờng hợp 2 44 H nh 3 16: Phƣơng pháp offset trƣờng hợp 3 44 H nh 3 17: Phƣơng pháp offset trƣờng hợp 4 45 H nh 3 18: Phƣơng pháp offset trƣờng hợp 5 45 H nh 3 19: Phƣơng pháp offset trƣờng hợp 6 46 H nh 3 20: Phƣơng pháp offset trƣờng hợp 7 46 H nh 3 21: Nguyên tắc hoạt động của phƣơng pháp khung lƣới 47 H nh 3 22: Nguyên tắc hoạt động của phƣơng pháp khung lƣới 47 H nh 3 23: Nguyên tắc hoạt động của phƣơng pháp khung lƣới 48 H nh 3 24: Nguyên tắc hoạt động của phƣơng pháp khung lƣới 48 H nh 3 25: Nguyên tắc hoạt động của phƣơng pháp khung lƣới 49 H nh 3 26: Nguyên tắc hoạt động của phƣơng pháp khung lƣới 49 H nh 3 27: Nguyên tắc hoạt động của phƣơng pháp khung lƣới 50 H nh 3 28: Phƣơng pháp thứ 3 51 H nh 3 29: Phƣơng pháp thứ 3 51 H nh 3 30: Phƣơng pháp thứ 3 52 H nh 3 31: Phƣơng pháp thứ 3 52 H nh 3 32: Phƣơng pháp thứ 3 53 H nh 3 33: Phƣơng pháp tránh vật thứ 4 53 H nh 3 34: Phƣơng pháp tránh vật thứ 4 54 H nh 3 35: Phƣơng pháp tránh vật thứ 4 54 xii
14. H nh 3 36: Phƣơng pháp tránh vật thứ 5 55 H nh 3 37: Phƣơng pháp tránh vật thứ 5 55 H nh 3 38: Phƣơng pháp tránh vật thứ 5 56 H nh 3 39: Phƣơng pháp tránh vật thứ 5 56 H nh 3 40: Phƣơng pháp tránh vật thứ 5 57 H nh 3 41: Phƣơng pháp tránh vật thứ 5 57 H nh 3 42: Phƣơng pháp tránh vật thứ 5 58 H nh 3 43: Không gian màu RGB 63 H nh 3 44: Không gian màu HSV 63 Hình 3.45: Xử l không gian màu và tách ngƣỡng 64 H nh 3 46: Tính góc lệch 65 H nh 4 1: Hình ảnh mobile robot hoàn chỉnh 68 H nh 4 2: Mạch điện tử 68 H nh 4 3: Mobile robot với pin và mạch điện 69 Hình 4.4: Giao diện chính 69 H nh 4 5: Giao diện chính và khung ảnh RGB 70 H nh 4 6: Track Red 70 H nh 4 7: Track Green 71 H nh 4 8: Track Bg 71 Hình 4.9: Tránh một vật 72 Hình 4.10: Tránh 2 vật không thẳng hàng 72 Hình 4.11: Tránh 2 vật thẳng hàng 73 Hình 4.12: Tránh theo chiều ngƣợc lại, khi gặp vật cản 73 xiii
15. ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP.HCM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 7 năm 2014 NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên: Trần Thanh Tân MSSV: 10111064 Họ và tên: Nguyễn Ngọc Thanh MSSV: 10111067 Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ Lớp: 101111B Giảng viên hƣớng dẫn: Th.S Lê Thanh Tùng ĐT: 0973 192 242 Ngày nhận đề tài: 20/02/2014 Ngày nộp đề tài: 24/07/2014 1. Tên đề tài: MOBILE ROBOT TRÁNH VẬT CẢN BẰNG XỬ LÝ ẢNH 2. Các số liệu, tài liệu ban đầu: 3. Nội dung thực hiện đề tài:  Thiết kế, chế tạo mobile robot  Tìm hiểu, lắp đặt các mạch điện tử  Tìm hiểu, tạo ra các thuật toán tìm đƣờng tránh vật cản  Viết chƣơng trình tìm đƣờng sử dụng thƣ viện mở OPEN CV của Intel  Viết chƣơng trình cho vi điều khiển để điều khiển xe chạy 4. Sản phẩm: TRƢỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN xiv
16. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu đề tài 1.1.1 Lý do chọn đề tài Trước đây, Robot được xem như là một cái máy, được lập trình và hoạt động cứng nhắc theo các chương trình có sẵn và chỉ có khả năng giao tiếp với con người thông qua thông qua các thiết bị ngoại vi thông thường như bàn phím, chuột. Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ Robot cùng với sự tiến bộ của khoa học máy tính, đặc biệt là sự phát triển của công nghệ xử lý ảnh đã cho phép Robot giao tiếp với con người theo một cách tiếp cận mới: Thị giác. Chính vì thế mà trong thời gian gần đây, nhiều dự án nghiên cứu ở nước ngoài đã được thực hiện nhằm điều khiển Robot, đặc biệt là Mobile Robot dùng thị giác máy tính (Computer Vision). Cụ thể, Robot sẽ được điều khiển thông qua camera và dựa vào màu sắc của đối tượng, hay bằng các cử chỉ tay, hướng nhìn của mắt, khuôn mặt của người điều khiển. Đây là một cách tiếp cận giúp cho Robot trở nên thân thiện hơn với con người. Ngày nay, cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, Robot ngày càng được sử dụng rộng rãi, không chỉ trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp mà còn trong nhiều lĩnh vực khác: Robot y tế; Robot giúp việc, nội trợ; Mobile Robot quân sự; và đặc biệt là sự xuất hiện của các Robot trong lĩnh vực thám hiểm nghiên cứu. Các Robot này đã và đang được tập trung nghiên cứu phát triển, ngày càng trở nên thân thiện hơn với con người. Một trong những hướng đi mới của công nghệ Robot là ứng dụng Robot trong lĩnh vực thám hiểm, các hoạt động trong môi trường độc hại, nguy hiểm. Ngày càng đa dạng các loại Robot được nghiên cứu, phát triển tại nhiều nước và các trường Đại học nổi tiếng trên thế giới. Nhận thức được xu hướng và tầm quan trọng của công nghệ Robot ứng dụng xử lý ảnh ở Việt Nam chúng ta, nhóm sinh viên đã quyết định chọn thực hiện đề tài “Mobile Robot tránh vật cản sử dụng xử lý ảnh” với mong muốn tìm hiểu và ứng dụng công nghệ mới ở mức độ cơ bản, cụ thể là công nghệ xử lý ảnh trong điều khiển mobile robot, đồng thời hy vọng có thể áp dụng kiến thức này vào thực tế trong vận chuyển tại các kho hàng hóa và các môi trường đặc biệt. 1.1.2 Yêu cầu và giới hạn đề tài Đề tài thực hiện nghiên cứu, thiết kế và thi công mobile robot ứng dụng công nghệ xử lý ảnh, trong đó: Nghiên cứu về Mobile Robot họ vi điều khiển PIC, bộ nhận sóng Bluetooth, động cơ DC và các IC liên quan. Nghiên cứu về lĩnh vực thị giác máy tính, công nghệ xử lý ảnh (Image Procesing). 1
17. Tìm hiểu về lập trình ứng dụng với ngôn ngữ C++ kết hợp thư viện xử lý ảnh mã nguồn mở OpenCV của Intel. Lập trình cho họ vi điều khiển PIC với ngôn ngữ C. Thiết kế hoàn chỉnh mô hình Mobile Robot dạng xe. Thiết kế board mạch cho Mobile Robot dùng vi điều khiển, PIC16F887. Lập trình giao diện điều khiển Mobile Robot tự động tìm đường ứng dụng thị giác máy tính. 1.1.3 Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu, xây dựng chương trình tìm đường đi cho Mobile Robot dùng xử lý ảnh, xây dựng chương trình điều khiển Mobile Robot di chuyển theo quỹ đạo nhận được từ chương trình xử lý ảnh. 1.1.4 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu a. Mục tiêu của đề tài Thiết kế hoàn thiện phần cơ khí là mô hình của Mobile Robot và phần mạch điện để điều khiển robot, giao tiếp robot - máy tính. Tìm hiểu lý thuyết và ứng dụng cơ bản công nghệ xử lý ảnh. Nghiên cứu, xây dựng chương trình nhận dạng đối tượng dựa vào màu sắc dùng thị giác máy tính và chương trình điều khiển Mobile Robot. Chương trình phải có khả năng thực hiện: Thu nhận hình ảnh động từ camera (webcam) và xử lý. Nhận dạng màu sắc, xác định vị trí điểm đến, các vật cản và lựa chọn đường để tới đích. b. Nhiệm vụ nghiên cứu Đồ án nghiên cứu phương pháp điều khiển Mobile Robot để tìm đường là dựa vào màu nền và vật cản. Camera sẽ thu những hình ảnh liên tục từ môi trường và truyền về máy tính. Máy tính tiến hành xử lý, nhận dạng và xác định tọa độ vị trí của vật cản và robot, từ đó tính toán khoảng cách, góc lệch và hướng quay để điều khiển robot bám theo quỹ đạo dẫn đến đích. 1.1.5 Phương pháp nghiên cứu Tìm hiểu tài liệu: nhóm tìm hiểu các tài liệu liên quan đến Mobile Robot, thiết kế cơ khí, điện tử cho Mobile Robot, tài liệu về thị giác máy tính, công nghệ xử lý ảnh, và datasheet của các IC được sử dụng trong đề tài. Tham khảo từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm: các đồ án, các thiết kế mạch có liên quan đã được thi công đưa vào sử dụng ổn định, và sự tham vấn trực tiếp của các giảng viên chuyên ngành thuộc Bộ môn Cơ điện tử. Phương pháp thực nghiệm, thử và sửa sai: qua những lần thử nghiệm trên test board, kết hợp với tính toán giải tích mạch để rút ra giải pháp mạch điện tốt nhất. 2
18. Quá trình tính toán góc lệch, hướng đi cho Robot cũng được thực hiện dựa trên cơ sở lý thuyết và các số liệu thực tế từ kết quả những lần thực nghiệm 1.2. Các công trình nghiên cứu có liên quan 1.2.1 Các công trình nghiên cứu ở nước ngoài Mobile Robot hiện đang là một đề tài trọng tâm được đề cập đến trong những nghiên cứu hiện tại và hầu hết các trường Đại học lớn trên thế giới đều có một hoặc nhiều phòng thí nghiệm nghiên cứu về Mobile Robot. Hiện nay, Mobile bobot có thể được tìm thấy trong rất nhiều các lĩnh vực như quân sự, y tế, trong lĩnh vực giải trí, phục vụ công việc nhà và trong công nghiệp, thám hiểm nghiên cứu.  Mobile robot hoạt động dựa trên camera quan sát toàn cảnh [1] Nhóm nghiên cứu đã phát triển một phương pháp để điều hướng con robot dựa trên tầm nhìn toàn cảnh. Robot di chuyển trong không gian làm việc của nó, và dựa trên thông tin hình ảnh duy nhất, nó xây dựng một bản đồ topo của môi trường. Bản đồ topo này sau đó được sử dụng để robot di chuyển trong không gian. Hình 1.1: Robot CVRL với camera Hình 1.2: Mô phỏng quỹ đạo di chuyển 1.2.2 Các công trình nghiên cứu trong nước Ở Việt Nam, công nghệ Robot nói chung đang được phát triển, tuy nhiên lĩnh vực Robot điều khiển dùng thị giác máy tính vẫn còn khá mới mẻ so với nước ta và chỉ bắt đầu nghiên cứu một vài năm gần đây ở những trường Đại học.  Điều khiển Mobile Robot dùng ánh mắt Tác giả đưa ra phương pháp điều khiển robot dựa vào ánh mắt. Nghiên cứu sử dụng phương pháp nhận dạng phân lớp Haar để xác định khuôn mặt và mắt của người sử dụng. Từ ảnh mắt người, chương trình sẽ dùng phương pháp trích đặc 3
19. trưng ảnh PCA để quyết định mắt đang nhìn trái, phải, nhìn lên hay nhìn thẳng. Từ đó chương trình sẽ điều khiển robot di động di chuyển theo hướng nhìn đã xác định thông qua module thu phát sóng RF. Hình1.3 : Điều khiển robot di động dùng ánh mắt  Robot tự hành tránh vật cản sử dụng thiết bị Kinect [2] Nhóm tác giả xây dựng một mô hình mobile robot hoàn chỉnh có khả năng tìm đường đến đích và tránh chướng ngại vật trên quãng đường di chuyển. Một điểm mới được nhấn mạnh là khối thị giác máy tính cho mobile robot,với sự hỗ trợ của thiết bị chơi game Kinect có khả năng khôi phục môi trường phía trước robot dưới dạng 3D, đáp ứng được sự chính xác cần thiết khi phối hợp với các giải thuật điều khiển truyền thống cho robot. Hình 1.4: Nội dung chƣơng trình điều khiển 4
20. Hình 1.5: Mobile robot với Kinect 5
21. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về Mobile Robot tránh vật cản sử dụng xử lý ảnh 2.1.1 Mobile Robot và các phương pháp điều khiển Mobile Robot là loại Robot tự hành có khả năng di chuyển tự do trong một môi trường đã được định sẵn. Nó khác với các loại robot công nghiệp như các loại tay máy chỉ có khả năng đạt tới một vị trí nhất định. Phương pháp điều khiển Mobile Robot dùng thị giác máy tính gần đây đã được nghiên cứu khá nhiều trên thế giới. Về cơ bản, ta có thể chia Mobile Robot thành hai dạng: Mobile Robot tự động và Mobile Robot được điều khiển bởi con người. Dạng Mobile Robot tự động: đây là dạng Mobile Robot hoạt động theo những chương trình đã được lập trình sẵn và ít giao tiếp với con người, các Robot này hoạt động trong môi trường độc lập và không cần con người điều khiển. Hai dạng phổ biến của Mobile Robot loại này là Mobile Robot tránh vật cản và Mobile Robot bám theo đối tượng di động. a. Mobile Robot tránh vật cản Robot có khả năng tránh được vật cản trên đường đi nhờ vào hệ thống cảm biến như cảm biến siêu âm, và gần đây là dùng thị giác máy tính để xác định vật cản. Hệ thống thị giác của robot thường là hệ thống camera (có thể là 1,2 hoặc nhiều camera). Robot sẽ xác định vật cản trên đường đi nhờ vào kỹ thuật phân tích ảnh. Hình 2.1: obot tránh vật cản sử dụng cảm bi n si u m 6
22. S K L 0 0 2 1 5 4